JP5479969B2 - 非水系リチウム型蓄電素子用負極材料、及びそれを用いた非水系リチウム型蓄電素子 - Google Patents
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Description
[1]活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔性材料であって、該複合多孔性材料におけるBJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をVm1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をVm2(cc/g)とするとき、0.010≦Vm1≦0.250、0.001≦Vm2≦0.200、かつ1.5≦Vm1/Vm2≦20.0を満たすことを特徴とする非水系リチウム型蓄電素子用負極材料。
本発明における負極材料は、活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔性材料であり、該複合多孔性材料におけるBJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をVm1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をVm2(cc/g)とするとき、本発明の第1の態様では、0.010≦Vm1≦0.250、0.001≦Vm2≦0.200、かつ1.5≦Vm1/Vm2≦20.0を満たすことを特徴とする。また、第2の態様では、第1の態様の要件に追加して、マイクロ孔量が0.001≦Vm2<0.010である。第3の態様では、第1の態様の要件に追加して、マイクロ孔量が0.010≦Vm2≦0.150である。
本発明の複合多孔性材料は、例えば、活性炭と炭素質材料前駆体を共存させた状態で熱処理することにより得ることができる。
本発明の複合多孔性材料は、活性炭の表面に炭素質材料を被着させたものであるが、活性炭の細孔内部に炭素質材料を被着させた後の細孔分布が重要であり、メソ孔量及びマイクロ孔量により規定できる。本発明においては、特に、メソ孔量及びマイクロ孔量の絶対値と共に、メソ孔量/マイクロ孔量の比率が重要である。すなわち、本発明の第1の態様において、上記の複合多孔性材料におけるBJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をVm1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をVm2(cc/g)とするとき、0.010≦Vm1≦0.250、0.001≦Vm2≦0.200、かつ1.5≦Vm1/Vm2≦20.0である。メソ孔量Vm1については、0.010≦Vm1≦0.225がより好ましく、0.010≦Vm1≦0.200が更に好ましい。マイクロ孔量Vm2については、0.001≦Vm2≦0.150がより好ましく、0.001≦Vm2≦0.100が更に好ましい。メソ孔量/マイクロ孔量の比率については、1.5≦Vm1/Vm2≦15.0がより好ましく、1.5≦Vm1/Vm2≦10.0が更に好ましい。メソ孔量Vm1が上限以下(Vm1≦0.250)であれば、リチウムイオンに対する高い充放電効率が維持でき、メソ孔量Vm1及びマイクロ孔量Vm2が下限以上(0.010≦Vm1、0.001≦Vm2)であれば、高出力特性が得られる。また、孔径の大きいメソ孔内ではマイクロ孔よりもイオン伝導性が高い為、高出力特性を得るためにはメソ孔量が必要であり、一方、孔径の小さいマイクロ孔内では、蓄電素子の耐久性に悪影響を及ぼすとされる水分等の不純物が脱着し難い為、高耐久性を得るためにはマイクロ孔量を制御する必要があると考えられる。したがって、メソ孔量とマイクロ孔量の比率の制御が重要であり、下限以上(1.5≦Vm1/Vm2)の場合、すなわち炭素質材料が活性炭のメソ孔よりもマイクロ孔に多く被着し、被着後の複合多孔性材料のメソ孔量が多く、マイクロ孔量が少ない場合に、高エネルギー密度、高出力特性かつ高耐久性(サイクル特性、フロート特性など)が得られる。メソ孔量とマイクロ孔量の比率が上限以下(Vm1/Vm2≦20.0)の場合、高出力特性が得られる。
本発明においては、上述のように、活性炭の表面に炭素質材料を被着した後のメソ孔量/マイクロ孔量の比率が重要であるが、本発明で規定した細孔分布範囲の複合多孔性材料を得る為には、原料に用いる活性炭の細孔分布が重要である。
また、本発明の製造方法においては、一般の表面コーティングとは異なり、活性炭の表面に炭素質材料を被着させた後にも凝集の発生が少なく、被着前後の平均粒子径にはほとんど変化がないことを特徴とする。この特徴に加えて、実施例で明らかなように被着後にマイクロ孔量及びメソ孔量が減少していることから、本発明においては被着する炭素質材料前駆体となるピッチなどの揮発成分、あるいは熱分解成分の大部分は、活性炭細孔内に被着し、この被着成分が炭素質材料となる反応が進行したものと推測できる。
上記の複合多孔性材料は、非水系リチウム型蓄電素子用負極の活物質として用いられ、公知の手法により非水系リチウム型蓄電素子用負極に成型することができる。
上述の非水系リチウム型蓄電素子用負極は、正極、及びセパレータを積層してなる電極体として、リチウム塩を含む非水系電解液とともに外装体に収納して、非水系リチウム型蓄電素子とすることができる。本発明の非水系リチウム型蓄電素子は、図1(a)及び(b)の断面模式図を用いて説明される。例えば、非水系リチウム型蓄電素子は、正極集電体5に正極活物質層6を積層した正極、及び負極集電体8に負極活物質層9を積層した負極を、正極活物質層6と負極活物質層9とがセパレータ7をはさんで対向するように、交互に積層して電極体4を形成し、正極端子1を正極集電体5に接続し、かつ負極端子2を負極集電体8に接続し、電極体4を外装体3に収納し、非水系電解液(図示せず)を外装体3内に注入し、そして正極端子1と負極端子2の端部を外装体3の外部に引き出した状態で外装体3の周縁部を封口して成る。
まず、正極活物質について説明する。
上述の正極における正極活物質としては、炭素質材料又は結晶性が低くアモルファス状態のMnO2などの遷移金属酸化物、LiCoO2などのリチウム含有遷移金属酸化物などが挙げられる。好ましくは、炭素質材料の中でも、細孔を有する活性炭である。好ましくは、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)と、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、0.3<V1≦0.8かつ0.5≦V2≦1.0が満たされる活性炭である。ここで言う正極活物質のメソ孔量及びマイクロ孔量の算出方法は、上述の負極活物質のメソ孔量及びマイクロ孔量の算出方法と同様の方法である。
本発明における正極は、上記の正極活物質を、上述の負極と同様に公知の手法により電極に成型することができる。
本発明において、上記のようにして成型された正極及び負極は、セパレータを介して積層又は捲廻積層された電極体として、金属缶又はラミネートフィルムから形成された外装体に挿入される。
本発明において、蓄電素子に用いられる非水系電解液の溶媒としては、炭酸エチレン(EC)、炭酸プロピレン(PC)に代表される環状炭酸エステル、炭酸ジエチル(DEC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル(MEC)に代表される鎖状炭酸エステル、γ−ブチロラクトン(γBL)などのラクトン類、又はこれらの混合溶媒を用いることができる。
<実施例1>
(負極の作製)
市販のヤシ殻活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、窒素を吸着質として細孔分布を測定した。比表面積はBET1点法により求めた。また、上述したように、脱着側の等温線を用いて、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法によりそれぞれ求めた。その結果、BET比表面積が1,780m2/g、メソ孔量(V1)が0.198cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.695cc/g、V1/V2=0.29、平均細孔径が21.2Åであった。この活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)270gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、600℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料1を得た。
破砕されたヤシ殻炭化品を小型炭化炉において窒素雰囲気中、500℃で炭化した。その後、窒素の代わりに1kg/hの水蒸気を予熱炉で加温した状態で炉内へ投入し、900℃まで8時間をかけて昇温した後に取り出し、窒素雰囲気下で冷却して賦活化された活性炭を得た。得られた活性炭を10時間通水洗浄した後に水切りした。その後、115℃に保持された電気乾燥機内で10時間乾燥した後に、ボールミルで1時間粉砕を行い、正極材料となる活性炭を得た。
上記で得られた正極を3cm2になるように切り取り、この正極と、上記のリチウムを予めドープした負極を、厚み30μmの不織布セパレータを挟んで対向させ、ポリプロピレンとアルミニウムを使用したラミネートフィルムから成る外装体に封入し、非水系リチウム型蓄電素子を組立てた。この時、電解液としてエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートを1:4(重量比)で混合した溶媒に1mol/lの濃度にLiPF6を溶解した溶液を使用した。
市販のヤシ殻活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、実施例1と同様の方法で細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が1,780m2/g、メソ孔量(V1)が0.198cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.695cc/g、V1/V2=0.29、平均細孔径が21.2Åであった。この活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)450gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、600℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料2を得た。
市販のヤシ殻活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、実施例1と同様の方法で細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が1,780m2/g、メソ孔量(V1)が0.198cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.695cc/g、V1/V2=0.29、平均細孔径が21.2Åであった。この活性炭450gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)950gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、580℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料3を得た。
市販のヤシ殻活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、実施例1と同様の方法で細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が1,780m2/g、メソ孔量(V1)が0.198cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.695cc/g、V1/V2=0.29、平均細孔径が21.2Åであった。この活性炭450gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)850gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、550℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料4を得た。
市販のピッチ系活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、実施例1と同様の方法で細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が1,955m2/g、メソ孔量(V1)が0.138cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.779cc/g、V1/V2=0.18、平均細孔径が18.7Åであった。この活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:110℃)350gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、670℃まで4時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料5を得た。
市販のヤシ殻活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、実施例1と同様の方法で細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が1,380m2/g、メソ孔量(V1)が0.153cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.681cc/g、V1/V2=0.22、平均細孔径が19.4Åであった。この活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)250gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、600℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料6を得た。
市販のヤシ殻活性炭をユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)で、実施例1と同様の方法で細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が1,380m2/g、メソ孔量(V1)が0.153cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.681cc/g、V1/V2=0.22、平均細孔径が19.4Åであった。この活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)350gを入れたステンレス製バットの上に置き、電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行った。熱処理は窒素雰囲気下で、600℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持し、続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、炉から取り出し、負極材料となる複合多孔性材料7を得た。
2 負極端子
3 外装体
4 電極体
5 正極集電体
6 正極活物質層
7 セパレータ
8 負極集電体
9 負極活物質層
Claims (6)
- 活性炭の表面に炭素質材料を被着させた複合多孔性材料であって、該複合多孔性材料におけるBJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をVm1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をVm2(cc/g)とするとき、
0.010≦Vm1≦0.250、
0.001≦Vm2≦0.200、かつ
1.5≦Vm1/Vm2≦20.0を満たすことを特徴とする非水系リチウム型蓄電素子用負極材料。 - 前記複合多孔性材料において、0.001≦Vm2<0.010をさらに満たす、請求項1に記載の非水系リチウム型蓄電素子用負極材料。
- 前記複合多孔性材料において、0.010≦Vm2≦0.150をさらに満たす、請求項1に記載の非水系リチウム型蓄電素子用負極材料。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子用負極材料を負極活物質とする負極活物質層と負極集電体とを含む非水系リチウム型蓄電素子用負極。
- 請求項4に記載の非水系リチウム型蓄電素子用負極、正極、及びセパレータから成る電極体、並びにリチウム塩を含む非水系電解液が外装体に収納されて成る非水系リチウム型蓄電素子。
- BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、
0.050≦V1≦0.500、
0.005≦V2≦1.000、かつ、
0.2≦V1/V2≦20.0を満たす活性炭、及び炭素質材料前駆体を準備する工程、そして、
不活性雰囲気下で該活性炭と該炭素質材料前駆体を熱反応させて、該活性炭の表面に炭素質材料を被着させる工程
を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子用負極材料の製造方法。
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